凍土是一種長期處于低溫環(huán)境并對氣候變化十分敏感的特殊土壤。由于低溫限制了土壤微生物對有機質(zhì)的分解，導(dǎo)致凍土中儲存著大量有機碳。最新研究結(jié)果顯示，凍土區(qū)土壤碳儲量高達(dá)1.3萬億噸，約占全球土壤碳庫的一半以上。然而，這一重要碳庫目前卻受到了氣候變暖的嚴(yán)重威脅。特別是在“極地放大效應(yīng)”的作用下，凍土分布區(qū)的增溫速率達(dá)0.6℃/10年，約為全球平均增溫速率的兩倍。

快速的氣候變暖導(dǎo)致大面積凍土融化，進而使得凍土中長期封存的有機碳被微生物分解，以CO2和CH4等溫室氣體的形式釋放至大氣中，最終會進一步加劇氣候變暖。作為生物地球化學(xué)循環(huán)的引擎，土壤微生物在調(diào)控凍土碳循環(huán)中起著重要作用。因此，認(rèn)識凍土區(qū)土壤微生物特征，揭開凍土區(qū)土壤中“微觀世界”的神秘面紗，對準(zhǔn)確預(yù)測凍土碳循環(huán)與氣候變暖之間的反饋關(guān)系至關(guān)重要。

為了探索凍土區(qū)土壤中的“微觀世界”，中國科學(xué)院植物研究所楊元合研究組依托在青藏高原祁連山凍土分布區(qū)建立的熱融塌陷觀測平臺，基于宏基因組測序、室內(nèi)培養(yǎng)和碳分解模型等多種手段，解析了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能沿凍土融化序列的變化及其關(guān)鍵驅(qū)動因素。

研究發(fā)現(xiàn)，熱融塌陷16年后，表層土壤微生物群落發(fā)生了明顯改變：細(xì)菌相對含量顯著增加，而古菌和真菌的相對含量顯著降低。并且，表征微生物碳分解活性的功能基因豐度也隨之改變，其中降解惰性碳組分的基因豐度增加，表明微生物對惰性碳的分解能力增強。鑒于惰性碳在土壤碳庫中的占比較大（超過50%），這種原本難以降解的有機碳組分被微生物分解后可能會造成更多的碳釋放。進一步研究發(fā)現(xiàn)，底物屬性的變化是調(diào)控微生物群落結(jié)構(gòu)和功能變化的主要因素。

為了進一步驗證基于典型凍土融化序列觀察到的微生物響應(yīng)規(guī)律是否具有普適性，研究人員在青藏高原典型凍土區(qū)開展了大范圍凍土取樣工作，并結(jié)合基因芯片、高通量測序和室內(nèi)培養(yǎng)等方法在更大尺度上揭示了凍土融化后微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化，構(gòu)建了凍土融化引起的微生物多樣性變化與土壤碳釋放之間的耦聯(lián)關(guān)系。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凍土融化導(dǎo)致細(xì)菌和真菌的α多樣性顯著下降，而功能基因α多樣性顯著增加。進一步研究發(fā)現(xiàn)，凍土融化導(dǎo)致的土壤碳釋放主要取決于微生物功能多樣性，而與分類多樣性無關(guān)。